梁月松,李良慶,季正欣,高彥才,陳學(xué)江,張清龍

(中海油田服務(wù)股份有限公司,天津 300459)

隨著渤海油田開發(fā)向縱深發(fā)展,對于小井眼(?152.4 mm井眼)裸眼充填防砂作業(yè)的需求越來越高。渤中3-2等油田提出在原有?244.48 mm套管井眼中側(cè)鉆形成?152.4 mm裸眼,以實(shí)現(xiàn)對上層位邊際油藏的有效動(dòng)用。為進(jìn)一步開發(fā)渤海區(qū)塊明化鎮(zhèn)等中深段儲層,墾利6-1等油田通過增加井身結(jié)構(gòu)套管層次,實(shí)現(xiàn)在?177.78 mm套管中鉆入?152.4 mm裸眼的技術(shù)方案。渤海中深層油田開發(fā)過程中,迫切需要采用小井眼(?152.4 mm井眼)裸眼充填防砂工具[1-2]。

反循環(huán)單流閥是水平井裸眼充填防砂管柱中內(nèi)管柱的重要工具,通過利用該工具的開關(guān)狀態(tài)和在井筒中位置變換實(shí)現(xiàn)流道轉(zhuǎn)換,完成防砂管柱循環(huán)下入、封隔器驗(yàn)封、循環(huán)充填和酸洗等一系列作業(yè)過程,其開關(guān)性能直接影響防砂作業(yè)的成敗。在防砂作業(yè)中,反循環(huán)單流閥的開和關(guān)是通過工具經(jīng)過密封筒實(shí)現(xiàn),其成功與否取決于工具中負(fù)荷卡爪和彈性卡爪的開關(guān)力。目前的反循環(huán)單流閥本身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在現(xiàn)場防砂作業(yè)中常出現(xiàn)以下問題:①上提管柱經(jīng)過密封筒無法關(guān)閉反循環(huán)單流閥,現(xiàn)場無法實(shí)現(xiàn)封隔器驗(yàn)密封作業(yè);②下放管柱經(jīng)過密封筒無法打開反循環(huán)單流閥,導(dǎo)致管柱系統(tǒng)無法建立循環(huán)流程;③反循環(huán)單流閥過密封筒負(fù)荷顯示不明顯,現(xiàn)場人員無法判斷防砂系統(tǒng)內(nèi)外管柱相對位置,造成作業(yè)停滯。

針對現(xiàn)場出現(xiàn)的問題,筆者結(jié)合防砂作業(yè)工況[3-9],綜合考慮工具開關(guān)力和開關(guān)性能,研制了一種新型反循環(huán)單流閥,通過結(jié)構(gòu)力學(xué)分析與室內(nèi)試驗(yàn)的方法對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化[10-17],并取得了良好的現(xiàn)場應(yīng)用效果,有效指導(dǎo)了海上小井眼礫石充填防砂作業(yè)。

1 反循環(huán)單流閥結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 工具結(jié)構(gòu)分析

設(shè)計(jì)的新型反循環(huán)單流閥結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖分別如圖1～2所示。防砂管柱在下入過程中,工具處于打開狀態(tài)(圖1a),此時(shí)滑動(dòng)密封總成位于旁通閥的上方,下接頭的凸臺位于彈性卡爪內(nèi)凸耳下方。防砂作業(yè)中,通過上提內(nèi)管柱,反循環(huán)單流閥在進(jìn)入密封筒之前,負(fù)荷卡爪將受力傳遞給彈性卡爪,彈性卡爪內(nèi)凸耳越過下接頭凸臺完成換位,此時(shí)滑動(dòng)密封總成位于旁通閥中間位置,從而實(shí)現(xiàn)反循環(huán)單流閥的關(guān)閉(圖1b)。同樣的原理,反循環(huán)單流閥在下放管柱進(jìn)入密封筒的過程中,可以實(shí)現(xiàn)工具的打開。

1—上接頭;2—密封上壓環(huán);3—單流閥總成;4—滑動(dòng)密封總成;5—旁通閥;6—旁通閥外筒;7—內(nèi)芯軸;8—負(fù)荷卡爪;9—彈性卡爪;10—下接頭。圖1 反循環(huán)單流閥結(jié)構(gòu)

圖2 反循環(huán)單流閥實(shí)物

1.2 工具開關(guān)受力分析

通過移動(dòng)管柱使反循環(huán)單流閥進(jìn)入密封筒的過程中,主要有以下幾個(gè)力對工具的開關(guān)性能產(chǎn)生影響:①密封筒對負(fù)荷卡爪的最大軸向作用力F1;②反循環(huán)單流閥開關(guān)力F2(即彈性卡爪的開關(guān)力);③反循環(huán)單流閥完全進(jìn)入密封筒之后,負(fù)荷卡爪與密封筒壁面的摩擦力f。為保證工具滿足現(xiàn)場工藝要求,設(shè)計(jì)需要滿足以下準(zhǔn)則:

F1>F2

(1)

F2>f

(2)

F1>20 kN

(3)

只有設(shè)計(jì)滿足F1大于F2,才能保證反循環(huán)單流閥經(jīng)過密封筒的過程中,實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。反循環(huán)單流閥完全進(jìn)入密封筒之后,負(fù)荷卡爪與密封筒壁面的摩擦力f必須小于反循環(huán)單流閥開關(guān)力F2,這樣才能避免工具在密封筒內(nèi)移動(dòng)的過程中,造成工具誤打開或關(guān)閉。現(xiàn)場作業(yè)的過程中,通過觀察頂驅(qū)負(fù)荷顯示來判斷反循環(huán)單流閥是否開始進(jìn)入密封筒,故要求F1在20 kN以上。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)分析

2.1 工具結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1.1 負(fù)荷卡爪結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

負(fù)荷卡爪的結(jié)構(gòu)如圖3所示,通過在軸向上切割一定數(shù)量的長條槽來控制負(fù)荷卡爪進(jìn)入密封筒的力。長條槽的個(gè)數(shù)N1、槽長L1、槽寬B1共3個(gè)參數(shù)影響負(fù)荷卡爪彈性力的大小。以負(fù)荷卡爪進(jìn)入密封筒的力為25～35 kN作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù),設(shè)計(jì)的3種技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 卡爪長條槽技術(shù)參數(shù)

圖3 負(fù)荷卡爪結(jié)構(gòu)

2.1.2 彈性卡爪結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

彈性卡爪的結(jié)構(gòu)如圖4所示,與負(fù)荷卡爪結(jié)構(gòu)類似,通過在軸向上切割一定數(shù)量的長條槽來控制開關(guān)力。長條槽的個(gè)數(shù)N2、槽長L2、槽寬B2共3個(gè)參數(shù)影響彈性卡爪彈性力的大小。以彈性卡爪開關(guān)力為15～20 kN作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù),設(shè)計(jì)的3種類型技術(shù)參數(shù)卡爪長條槽如表1所示。

圖4 彈性卡爪結(jié)構(gòu)

2.2 負(fù)荷卡爪有限元分析

2.2.1 有限元模型建立

由于負(fù)荷卡爪為中心對稱結(jié)構(gòu),約束和載荷具有對稱性,故取結(jié)構(gòu)的1/10進(jìn)行分析。材料選為42CrMo鋼[1],經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,達(dá)到P110鋼級,彈性模量2×105MPa,泊松比0.3,屈服強(qiáng)度855 MPa,拉伸強(qiáng)度920 MPa。建立的負(fù)荷卡爪與密封筒之間的三維有限元力學(xué)模型如圖5所示。

圖5 負(fù)荷卡爪有限元模型

2.2.2 結(jié)果分析

通過對3種技術(shù)參數(shù)的負(fù)荷卡爪過密封筒收縮時(shí)進(jìn)行有限元分析,提取了負(fù)荷卡爪軸向阻力與軸向位移的關(guān)系如圖6所示。負(fù)荷卡爪在進(jìn)入密封筒的過程中,隨著軸向位移的增大,卡爪徑向收縮,軸向阻力逐漸增大,直到卡爪收縮完成,阻力出現(xiàn)峰值,當(dāng)負(fù)荷卡爪完全進(jìn)入密封筒之后,軸向阻力迅速減小,此時(shí)軸向阻力主要為卡爪和密封筒壁面摩擦力。

圖6 負(fù)荷卡爪過密封筒時(shí)軸向阻力與軸向位移的關(guān)系

按照負(fù)荷卡爪進(jìn)入密封筒的力25～35 kN為設(shè)計(jì)依據(jù),槽寬10 mm、槽長300 mm時(shí)符合要求。此時(shí),負(fù)荷卡爪進(jìn)入密封筒時(shí)的最大軸向阻力為32.25 kN,完全進(jìn)入密封筒后的摩擦力為3.24 kN。

圖7給出了負(fù)荷卡爪槽寬10 mm、槽長300 mm過密封筒時(shí)應(yīng)力云圖,最大應(yīng)力點(diǎn)位于卡爪根部處,此時(shí)最大應(yīng)力值為747.67 MPa,與材料屈服強(qiáng)度相比,負(fù)荷卡爪仍處于彈性范圍內(nèi),材料尚未發(fā)生破壞。

圖7 負(fù)荷卡爪過密封筒時(shí)最大應(yīng)力云圖

2.3 彈性卡爪有限元分析

2.3.1 有限元模型建立

彈性卡爪有限元模型建立過程與負(fù)荷卡爪類似,取結(jié)構(gòu)的1/10進(jìn)行分析。材料選為42CrMo鋼,建立的三維有限元力學(xué)模型如圖8所示。

圖8 彈性卡爪有限元模型

2.3.2 結(jié)果分析

通過對3種技術(shù)參數(shù)的彈性卡爪過下接頭凸臺過程進(jìn)行有限元分析,提取了彈性卡爪軸向阻力與軸向位移的關(guān)系如圖9所示。按照彈性卡爪開關(guān)力15 ～20 kN為設(shè)計(jì)依據(jù),槽寬9 mm、槽長110 mm時(shí)符合要求。此時(shí),彈性卡爪開關(guān)過程中最大軸向阻力為19.5 kN。

圖9 彈性卡爪開關(guān)過程中軸向阻力與軸向位移的關(guān)系

圖10給出了彈性卡爪開關(guān)過程中最大應(yīng)力云圖(槽寬9 mm、槽長110 mm),最大應(yīng)力點(diǎn)位于彈性爪根部處,此時(shí)最大應(yīng)力值為814.39 MPa,與材料屈服強(qiáng)度相比,彈性卡爪仍處于彈性范圍內(nèi),材料尚未發(fā)生破壞。

圖10 彈性卡爪開關(guān)過程中最大應(yīng)力云圖

3 室內(nèi)全尺寸整機(jī)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)過程

將結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的反循環(huán)單流閥加工成樣機(jī),開展整機(jī)測試,整機(jī)測試的示意圖和實(shí)物圖分別如圖11～12所示。試驗(yàn)中,充填滑套總成固定在試驗(yàn)臺架上,反循環(huán)單流閥置于充填滑套總成內(nèi),上端與拉拔機(jī)連接,通過拉拔機(jī)來回推拉使反循環(huán)單流閥不斷穿過充填滑套總成。

1—充填滑套上接頭;2—充填滑套外筒;3—內(nèi)滑套;4—密封筒;5—充填滑套下接頭;6—負(fù)荷卡爪;7—彈性卡爪;8—反循環(huán)單流閥下接頭。圖11 反循環(huán)單流閥整機(jī)測試示意圖

圖12 反循環(huán)單流閥整機(jī)測試實(shí)物

如圖11所示,前推過程中,反循環(huán)單流閥向右移動(dòng)打開充填滑套,經(jīng)過密封筒的過程中打開自身單流閥;回拉過程中,反循環(huán)單流閥向左移動(dòng),經(jīng)過密封筒的過程中關(guān)閉自身單流閥,繼續(xù)向左關(guān)閉充填滑套。

現(xiàn)場防砂作業(yè)過程中,反循環(huán)單流閥需要來回經(jīng)過充填滑套密封筒至少3次。為滿足現(xiàn)場要求,室內(nèi)整機(jī)測試共完成反循環(huán)單流閥推拉測試15次,用以檢驗(yàn)工具性能的穩(wěn)定性。

反循環(huán)單流閥整機(jī)測試主要驗(yàn)證3項(xiàng)技術(shù)指標(biāo):

1) 反循環(huán)單流閥開關(guān)充填滑套性能。

2) 反循環(huán)單流閥經(jīng)過密封筒時(shí)自身開關(guān)性能。

3) 工具在密封筒內(nèi)左右移動(dòng)時(shí)是否會誤打開。

3.2 測試結(jié)果分析

試驗(yàn)進(jìn)行推拉測試共計(jì)15次,測試過程中保持液壓缸推拉速度為0.1～0.2 m/s,選取第1、5、10、15次測試結(jié)果如表2所示。測試記錄了反循環(huán)單流閥經(jīng)過密封筒時(shí),密封筒對負(fù)荷卡爪的最大軸向作用力F1;反循環(huán)單流閥開關(guān)力F2(即彈性卡爪的開關(guān)力);反循環(huán)單流閥完全進(jìn)入密封筒之后,負(fù)荷卡爪與密封筒壁面的摩擦力f;并記錄了測試過程中充填滑套和反循環(huán)單流閥的開關(guān)狀態(tài)。

表2 反循環(huán)單流閥整機(jī)測試結(jié)果

對表2測試結(jié)果分析可知:

1) 推拉測試共計(jì)完成開關(guān)充填滑套和反循環(huán)單流閥自身開關(guān)15次,測試成功率100%。

2) 經(jīng)過15次的推拉測試,密封筒對負(fù)荷卡爪的最大軸向作用力F1和反循環(huán)單流閥開關(guān)力F2(即彈性卡爪的開關(guān)力)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢,原因在于鋼件往復(fù)摩擦后表面存在少量的磨損,從而引起F1和F2逐漸減小,推拉測試10次之后力趨于穩(wěn)定。反循環(huán)單流閥在密封筒內(nèi)的摩擦力保持在5 kN左右,測試過程中沒有出現(xiàn)工具在密封筒內(nèi)誤打開的情況。

3) 反循環(huán)單流閥經(jīng)歷15次推拉測試后,工具負(fù)荷卡爪和彈性卡爪開關(guān)力趨于穩(wěn)定,說明反循環(huán)單流閥具備多次開關(guān)的性能,滿足重復(fù)使用的要求。反循環(huán)單流閥負(fù)荷卡爪和彈性卡爪在推拉測試后狀態(tài)良好,如圖13所示。

圖13 反循環(huán)單流閥卡爪整機(jī)測試后狀態(tài)

4 現(xiàn)場應(yīng)用

截止目前,研制的小井眼裸眼充填防砂工具已陸續(xù)在渤海油田蓬萊19-3、渤中3-2和墾利6-1等區(qū)塊取得4口井的成功應(yīng)用。渤中3-2平臺P16H1井下入小井眼裸眼充填防砂工具,防砂管柱示意如圖14所示。該井實(shí)鉆井深2 026 m,垂深1 406.6 m,最大井斜角88.78°,裸眼段長度288 m,頂部封隔器和充填滑套總成分別位于井深1 712 m和1 715 m。

圖14 渤中3-2平臺P16H1井防砂管柱結(jié)構(gòu)示意

1) 防砂管柱內(nèi)管柱與外管柱脫開后,測量上提懸重425 kN,之后調(diào)整鉆臺懸重指標(biāo)表至零位,按照0.1～0.2 m/s緩慢上提管柱,反循環(huán)單流閥在經(jīng)過充填滑套密封筒時(shí)負(fù)荷顯示明顯,懸重指針表有20～30 kN負(fù)荷指示,表明反循環(huán)單流閥已經(jīng)關(guān)閉。

2) 下一步現(xiàn)場測試封隔器密封壓力14 MPa(2 000 psi),時(shí)間不少于15 min,壓降小于1%,進(jìn)一步驗(yàn)證了反循環(huán)單流閥處于關(guān)閉狀態(tài)。密封測試結(jié)束后緩慢下放管柱經(jīng)過充填滑套密封筒,懸重指針表有20～30 kN( 2～3 t)負(fù)荷指示,表明此時(shí)反循環(huán)單流閥已經(jīng)打開。

3) 現(xiàn)場循環(huán)充填泵注曲線界面如圖15所示[18],泵注排量0.7 m3/min(4.4 bpm),累計(jì)泵入陶礫7 098.72 kg(15 650 lbs),最大泵注壓力14.48 MPa(2 100 psi,脫砂壓力)?，F(xiàn)場充填防砂作業(yè)表明,反循環(huán)單流閥開關(guān)充填滑套和自身開關(guān)功能運(yùn)行正常?，F(xiàn)場防砂作業(yè)過程中共完成反循環(huán)單流閥3次開關(guān)動(dòng)作,開關(guān)成功率100%,技術(shù)性能穩(wěn)定,滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求。

5 結(jié)論

1) 通過分析小井眼用反循環(huán)單流閥結(jié)構(gòu)原理和管柱施工工藝,給出了工具負(fù)荷卡爪和彈性卡爪設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,為工具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了依據(jù)。

2) 模擬分析及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明,開關(guān)力和屈服強(qiáng)度是影響負(fù)荷卡爪和彈性卡爪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素;通過對槽長、槽寬和槽個(gè)數(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化,在室內(nèi)推拉速度0.1～0.2 m/s、開關(guān)次數(shù)15次的情況下,實(shí)現(xiàn)負(fù)荷卡爪過密封筒的力為30～35 kN;彈性卡爪的開關(guān)力為18～21 kN;負(fù)荷卡爪過密封筒的摩擦力為3～5 kN,工具開關(guān)測試成功率100%。

3) 現(xiàn)場應(yīng)用表明,新型反循環(huán)單流閥成功完成現(xiàn)場作業(yè)中3次開關(guān)動(dòng)作,開關(guān)動(dòng)作正常,開關(guān)負(fù)荷顯示明顯,能夠有效指導(dǎo)現(xiàn)場做出工具位置判斷,解決海上小井眼充填防砂技術(shù)難題,提高了作業(yè)效率,減少了作業(yè)隱患。